黄长水研究员/李玉良院士团队Angew：在锌-空气电池中直接转换太阳能，转换效率达4.55%

第一作者：付新龙

通讯作者：黄长水*，李玉良*

单位：中国科学院化学研究所

太阳能的高效捕获与存储是推动可持续能源发展的关键挑战。在锌-空气电池中直接转换太阳能（SZAB）作为一种有潜力的集成器件，有望在单一系统中直接实现光能到化学能的转换与存储。然而，其性能受限于传统光电极材料普遍存在的光吸收范围有限、电荷复合率高以及能带结构与电催化反应不匹配等核心问题。开发兼具宽谱光吸收、高效电荷分离和优异催化活性的新型半导体材料，是实现高效、稳定SZAB器件的必经之路。

研究通过三种含特定氮原子的分子前驱体，成功合成了三种N-GDY材料。光谱表征与理论计算共同证实，材料的带隙随氮原子数量增加而系统性地展宽（1.61 eV → 1.95 eV → 2.18 eV），实现了对二维碳材料电子结构的连续、可预测的精准裁剪，为理性设计光电极材料提供了清晰的范式。

研究发现，并非带隙越窄或越宽越好。其中，具有1.95 eV中等带隙的2N-GDY展现出最佳的综合性能：它在保持宽谱可见光吸收的同时，提供了更强的载流子分离驱动力，并有效抑制了由缺陷诱导的非辐射复合。这使得2N-GDY在光电流响应和表面光电压上均显著优于1N-GDY和3N-GDY。

基于2N-GDY构建的SZAB器件展现出卓越性能：在可见光照射下充电电压显著降低至1.25 V，电池效率高达96.8%。研究进一步揭示了器件性能受“带隙-波长-光强”协同影响：在420 nm最佳匹配波长下，功率转换效率（PCE）达3.39%；在低光强（0.9 mW cm^-2）下，PCE进一步提升至创纪录的4.55%。这为指导器件在实际复杂光照条件下的优化运行提供了关键见解。

Bandgap-Regulation for Directly Solar Energy Conversion in Zinc-Air Battery with 4.55% PCE

黄长水研究员简介：中国科学院化学研究所研究员，从事碳纳米结构材料，包括功能化碳纳米管和石墨烯的光电性质和储能性质的研究。目前研究方向主要是分子材料和纳米材料的设计及性质，以开发新型能源材料和器件为目标，发展新型碳素纳米材料在能源领域的应用及其高附加值的利用，开发锂离子电容器等新型储能器件和关键材料。

李玉良院士简介：中国科学院化学研究所研究员、山东大学讲席教授、博士生导师、中国科学院院士。研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。李玉良课题组主要承担了科技部973、国家重大研究计划、中国科学院先导A项目和重大项目、国家自然科学基金委重大、重点及中德、中港合作的国际交流研究项目等。实验室具备完善的实验设备和良好的研究条件。近五年在Chem. Rev.、Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Chem.、Joule、Matter、Adv. Mater.等杂志发表SCI论文200余篇。